靳 川 查天山 賈 昕 田 赟 周文君 衛(wèi)騰宙

(北京林業(yè)大學水土保持學院/寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統國家定位觀測研究站 北京林業(yè)大學水土保持國家林業(yè)和草原局重點實驗室 北京 100083)

全球氣候變化導致極端天氣事件不斷頻發(fā)，干旱半干旱區(qū)脆弱的荒漠生態(tài)系統面臨急劇退化的威脅(黃建平等，2013;Bergetal.,2016;Huangetal.,2016)，沙生植物經常遭受干旱伴隨高輻射和極端氣溫等的環(huán)境脅迫(康博文等，2010;Grantetal.,2015)。光合作用是植物賴以生存的基礎，并且對環(huán)境變化非常敏感(Ensmingeretal.,2006;鐘時偉，2018)。探究荒漠地區(qū)沙生植物光合生理狀態(tài)在不同時期對各種環(huán)境波動的響應，可以充分認識和了解該區(qū)植被對環(huán)境脅迫的耐受性和適應性及其調節(jié)機制。

植物葉片在自然環(huán)境吸收的光能經常超過光合需要，特別是在荒漠地區(qū)(黃建平等，2013)。植物需通過光系統Ⅱ熱耗散調節(jié)機制耗散過剩能量，來避免過剩光能產生活性氧引起的光抑制及光損傷(程明等，2008;Chenetal.,2016;Yamori,2016)。少量光能在光合過程中以葉綠素熒光形式進行輻射(Hortonetal.,2008;Ruban,2016)。葉綠素熒光與光合過程密切相關(許大全等，1992;Chenetal.,2016)，通過對葉綠素熒光的監(jiān)測可以量化光系統Ⅱ的能量分配動態(tài)，了解植物的光合生理狀態(tài)(張守仁，1999;Zunzuneguietal.,2011)。干旱半干旱區(qū)荒漠化已成為中國最嚴峻的生態(tài)環(huán)境問題，通過植被恢復重建防風固沙，是治理荒漠的有效途徑(黃建平等，2013;Hanetal.,2018)?；哪貐^(qū)作為各種惡劣氣候因素的聚集地，植被常會遭受土壤干旱、高輻射、極端溫度和大氣干燥等多種環(huán)境脅迫(吳雅娟等，2015;Renetal.,2018)。因此，探明荒漠地區(qū)植被對各種環(huán)境脅迫的光合生理響應以及適應能力至關重要。干旱下荒漠植物能通過調節(jié)氣孔以減小水分流失，對植被最顯著的影響是引起代謝活性氧等有害物質產生和增加(韓建秋等，2010;Yamori,2016)。高輻射也是荒漠地區(qū)的主要環(huán)境脅迫因子，能降低植物光合速率，抑制整個光合過程，甚至導致光合反應中心造成光損傷(李志真等，2014;Hanetal.,2018)。荒漠地區(qū)晝夜溫差大，植物對高溫的生理適應途徑主要是通過增加細胞內的滲透壓，提高原生質的抗凝結能力以減緩植物的代謝速率(李曉峰等，2009;Grantetal.,2015)。近年來，對荒漠地區(qū)植被葉綠素熒光的研究發(fā)現，植物可通過調節(jié)光系統Ⅱ的光化學活性來避免環(huán)境危害，有的植物也可通過對其生長節(jié)律的季節(jié)性調節(jié)來適應環(huán)境脅迫(白曉敏等，2013;Renetal.,2018;Wuetal.,2018)。目前，大多研究局限于短期控制試驗，不足以體現自然條件下植物對環(huán)境脅迫的耐受與適應性以及長期調節(jié)機制。葉綠素熒光長期原位連續(xù)監(jiān)測技術因其對環(huán)境信息波動具有長期連續(xù)的高捕獲率，得到了越來越廣泛的關注和應用(趙會杰等，2000;Porcar-Castelletal.,2008;Jankaetal.,2015)。

沙柳(Salixpsammophila)具有生長速度快、耐旱抗風沙等特點，自20世紀80年代以來，作為固沙造林常用樹種，已廣泛分布于西北沙地(朱媛君等，2016)。水分虧缺是沙地植物主要限制因子(白曉敏，2013;李媛等，2015)，然而，關于沙柳對復雜荒漠環(huán)境的各種脅迫的光合生理響應和適應過程機制目前尚不明確(Ashbacheretal.,2016;Weietal.,2016)。本研究采用葉綠素熒光連續(xù)原位監(jiān)測技術，使用多通道連續(xù)監(jiān)測熒光儀(Walz,Effeltrich,Germany)對寧夏鹽池毛烏素沙地沙柳進行原位連續(xù)監(jiān)測，分析沙柳在生長季光系統Ⅱ能量分配等光合生理動態(tài)的日變化和季節(jié)變化規(guī)律及對環(huán)境因子的響應，為闡明沙柳光系統Ⅱ能量分配和光合生理動態(tài)在日與季節(jié)尺度上對環(huán)境因子變化的響應機制提供依據。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏鹽池荒漠生態(tài)系統國家定位觀測研究站(37°53′45″—37°53′83″N，107°20′58″—107°25′46″E，海拔1 550 m)，處于毛烏素沙地南緣，是半干旱區(qū)向干旱區(qū)過渡的重要生態(tài)交錯帶，屬于沙漠化敏感區(qū)域。典型的中溫帶大陸性季風氣候，據鹽池縣氣象站1954—2004年的51年觀測平均值，這里年均氣溫8.1 ℃，年均降水量292 mm，年潛在蒸散量2 024 mm。土壤以風沙土為主，土壤密度為(1.54±0.08)g·cm-3。試驗地以旱生灌木為主，主要包括油蒿(Artemisiaordosica)、沙柳、楊柴(Hedysarummongolicum)、花棒(Hedysarumscoparium)和檸條(Caraganakorshinskii)等。本文選取沙柳為研究對象。

2 研究方法

2.1 樣地設置

2013年5月在研究區(qū)選取地勢平坦、生長較好的天然沙柳林，布設一塊10 m×10 m的樣地。樣地內沙柳高度約200 cm，平均冠幅為150 cm×180 cm，植被蓋度為45%。每叢沙柳有20～30個分枝，沙柳地徑在9～13 mm。選擇長勢良好(約25枝分枝)、大小適中(地徑約10 mm)的代表性分枝作為標準枝，采用多通道連續(xù)熒光監(jiān)測儀(MONI-PAM,Walz,Germany)對沙柳進行自然狀態(tài)下的晝夜連續(xù)監(jiān)測。因沙柳葉片為線狀披針形，在植株朝南中部的分枝上，選擇約3片健康成熟的葉子，使其將熒光探頭監(jiān)測區(qū)完全覆蓋，并用探頭(MONI-head)的鋁制葉夾夾取固定，調整探頭位置并讓葉片保持充分受光，定期檢查夾取葉片并適時更換。

2.2 環(huán)境因子與葉綠素熒光相關參數的測定

光合有效輻射(PAR)和空氣溫度(Ta)由熒光監(jiān)測儀同步測定。相對濕度(RH)由在通量塔(距熒光監(jiān)測儀200 m，高度為6 m)的溫濕度傳感器(HMP155A,Vaisala,Vantaa,Finland)測得，由CR3000數據采集器(Campbell Scientific Inc.,USA)存儲數據。飽和水汽壓差(VPD)由RH和Ta計算求得：VPD=E-E·RH/100,式中E為飽和空氣壓力，E=exp(17.27·Ta/237.3+Ta)。土壤體積含水量(SWC)通過布設在熒光監(jiān)測儀旁的ECH2O-5TE土壤溫濕度探頭和Em50數據采集器(Decagon Devices,Pullman,WA,USA)測定，測量深度分別為10、30、70、120 cm。降雨量(PPT)由安裝在樣地附近空地內的TE525W翻斗式雨量筒和CR200X數據采集器(Campbell Scientific Inc.,Logan,UT,USA)測定，高1.8 m。上述所有環(huán)境因子測定間隔均為30 min。

2.3 數據處理

在日尺度分析中，以半小時為單位分別計算每月相同時刻沙柳光系統 Ⅱ 能量分配、NPQ和環(huán)境因子的平均值，分析不同月份之間日變化動態(tài)關系。用分段平均的方法將白天ΦPSⅡ和NPQ的小時數據按環(huán)境因子分組平均(PAR間隔100 μmol·m-2s-1、Ta間隔1 ℃、RH間隔5%、VPD間隔0.2 kPa)，每組求平均值和標準誤差，通過線性或非線性擬合分別檢驗ΦPSⅡ和NPQ與環(huán)境因子PAR、Ta、RH和VPD的關系。在季節(jié)尺度分析中，采用Savitzky-Golay方法對ΦPSⅡ、ΦNPQ和ΦNO缺失數據的主要趨勢線進行擬合插補，并分別檢驗每天ΦPSⅡ、NPQ和Fv/Fm與日最大光合有效輻射(PARmax)、Ta、空氣溫度變化幅度(RTa)、RH、VPD的SWC關系。采用SPSS22.0(SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)和Matlab2016b(MathworksInc.,Natick,MA,USA)軟件對數據統計分析，軟件制圖采用Origin9.0(OriginLab,Northampton,MA,USA)。

3 結果與分析

3.1 環(huán)境因子與葉綠素熒光參數的季節(jié)變化

在觀測期各時期內，沙柳光系統Ⅱ能量分配都有較大波動，ΦPSⅡ、ΦNPQ和ΦNO的平均日均值分別為0.62、0.16和0.22，ΦPSⅡ日均值最大為0.79(9月22日)，最小為0.41(5月27日)(圖2)；NPQ日均值在春季(4月16日—5月31日)和秋季(9月2日—10月15日)波動較大，在夏季(6月2日—9月1日)較穩(wěn)定，最大值為3.16(5月27日)，最小值為0.10(8月1日)(圖2)；Fv/Fm在夏季較為穩(wěn)定，春季和秋季多次出現Fv/Fm降低且伴隨NPQ的增高，Fv/Fm平均值為0.78，最大值為0.84(9月16日)，最小值為0.63(10月9日)(圖2)。

圖2 沙柳葉綠素熒光參數的季節(jié)動態(tài)Fig.2 Seasonal variation of chlorophyll fluorescence parameters in S.psammophila

日最大光合有效輻射(PARmax)最大為1 262 μmol·m-2s-1(6月22日)，最小為345 μmol·m-2s-1(6月20日)，PAR日均值最大為708.5 μmol·m-2s-1(6月11日)，最小為72.4 μmol·m-2s-1(6月19日)(圖1)；Ta呈現先緩慢增加后下降趨勢，Ta最高為19.4 ℃(6月28日)，最低為8.7 ℃(9月23日)，Ta在日尺度下變化幅度較大，在季節(jié)尺度的春季和秋季期間波動幅度較大，在夏季較穩(wěn)定，與NPQ波動時期一致(圖1、2)；RH最大值為96.5%(6月20日)，最小值為19.2%(6月28日)，VPD最大值為2.41 kPa(6月28日)，最小值為0.05 kPa(6月20日)，RH和VPD負相關(圖1)。觀測期內的總降雨量為242 mm，單次降雨量超過15 mm的有4次，其中6月20日16.9 mm，9月4日19.5 mm，7月3日26.2 mm，7月9日29.2 mm(圖1)。10 cm處SWC隨降雨的變化最明顯，30與70 cm處SWC只在上述4次較大降雨中有相對明顯的變化并且有明顯時間滯后，120 cm處SWC則僅對生長季最大降雨有響應(7月9日)，Fv/Fm隨著SWC的2次明顯增加(7月9日、9月4日)也有小幅增加(圖1、2)。

圖1 環(huán)境因子的季節(jié)動態(tài)Fig.1 Seasonal variation of environmental factors

3.2 季節(jié)尺度下的環(huán)境因子與光系統Ⅱ光保護機制及其光合生理特性的關系

ΦPSⅡ和NPQ對環(huán)境波動響應的變化幅度較大。ΦPSⅡ與RH正相關(R2=0.14,P<0.01)，與PARmax和VPD負相關(R2=0.26,P<0.05；R2=0.11,P<0.01)，ΦPSⅡ低值多集中在6月和10月(表1；圖3)；NPQ與SWC負相關(R2=0.12,P<0.01)，NPQ高值多集中在7月和9月(表1；圖3)；Fv/Fm與SWC呈正相關(R2=0.19,P<0.01)，與PARmax和RTa負相關(R2=0.13,P<0.01；R2=0.16,P<0.01)，Fv/Fm趨勢和ΦPSⅡ相近且與NPQ趨勢相反，低值多集中在6月和10月。Ta高值和低值分別集中在7月和10月，RTa高值集中在6月和10月，RH高值和VPD低值集中在7月和9月(表1；圖3)。

表1 沙柳葉綠素熒光參數隨環(huán)境因子季節(jié)變化關系的回歸方程Tab.1 Regression equation of the relationship between chlorophyll fluorescence parameters of S.psammophila and seasonal variation of environmental factors

圖3 沙柳葉綠素熒光參數與環(huán)境因子季節(jié)變化關系Fig.3 Relationship between environmental factors and chlorophyll fluorescence parameters in S.psammophila during the whole growing season

3.3 環(huán)境因子和光系統Ⅱ能量分配及非光化學淬滅的日變化

按月份將觀測期內相同時刻的數據平均，PAR每月趨勢相同，呈現倒“V”形，峰值在13：00附近，8月份最高為1 578.4 μmol·m-2s-1，9、10月份較低分別為1 106.2和1 072.2 μmol·m-2s-1；Ta在白天隨著PAR迅速升高，在夜間緩慢降低，峰值相對PAR輻射有3～4 h滯后，8月最高為24.9 ℃，9月最低為13.6 ℃(圖4)；VPD和RH趨勢相反，峰(谷)值和Ta一致 ，8月份波動最大，RH變化幅度為45%，VPD變化幅度為1.83 kPa，10月份波動最小，RH變化幅度為25%，VPD變化幅度為0.82 kPa(圖4)。

能量分配在日尺度波動較大，ΦPSⅡ隨PAR增加而降低，ΦNPQ隨PAR增加而增加，ΦNO相對穩(wěn)定。在季節(jié)尺度下，8月和10月ΦPSⅡ和ΦNPQ波動較大，ΦPSⅡ變化幅度分別為50%和55%，ΦNPQ變化幅度分別為47%和52%。ΦPSⅡ由大到小依次為7月>9月>6月>8月>10月，ΦNPQ依次為10月>8月>6月>7月>9月，ΦNO依次為10月>6月>9月>8月>7月(圖4、5)；NPQ隨PAR增加而增加且趨勢相似，7、10月較高，峰值分別為1.81和1.55，NPQ由大到小依次為8月>10月>7月>6月>9月(圖4、5)。

圖4 不同月份環(huán)境因子日動態(tài)Fig.4 Variations in environmental factors at diurnal scale in different months

圖5 不同月份沙柳葉綠素熒光參數的日動態(tài)Fig.5 Diurnal dynamics of chlorophyll fluorescence parameters in S.psammophila in different months

3.4 日尺度下的環(huán)境因子與光化學效率和非光化學淬滅的關系

將觀測期內全天的ΦPSⅡ和NPQ對氣象因子分段平均后，進行多項式和線性擬合。隨著PAR增大，ΦPSⅡ逐漸減緩降低(R2=0.98,P<0.01)，NPQ持續(xù)升高(R2=0.93,P<0.01)；隨著Ta升高，ΦPSⅡ先升高后降低(R2=0.82,P<0.01)，NPQ加速升高(R2=0.71,P<0.01)；隨著RH增加，ΦPSⅡ持續(xù)增加(R2=0.96,P<0.01)，NPQ持續(xù)減少(R2=0.69,P<0.01)；隨著VPD增加，ΦPSⅡ持續(xù)降低(R2=0.87,P<0.01)，NPQ持續(xù)升高(R2=0.83,P<0.01)。ΦPSⅡ和NPQ對環(huán)境因子的敏感性(k的絕對值)都較高(表2；圖6)。

表2 沙柳葉綠素熒光參數隨環(huán)境因子日變化關系的回歸方程Tab.2 Regression equation of the relationship between chlorophyll fluorescence parameters of S.psammophila and diurnal variation of environmental factors

圖6 沙柳葉綠素熒光參數與環(huán)境因子日變化關系Fig.6 Relationship between environmental factors and chlorophyll fluorescence parameters in S.psammophila at diurnal scale

4 討論

4.1 沙柳光系統Ⅱ光保護機制和能量分配動態(tài)對環(huán)境因子的響應

葉綠素熒光參數作為指示植物適應環(huán)境的重要指標(許大全等，1992;Hortonetal.,2008;Ruban,2016)，ΦPSⅡ表征光系統Ⅱ捕獲光能用于光化學反應的效率(張守仁，1999)。NPQ代表熱耗散，指示植物受光抑制的程度(Wareetal.,2015)。自然條件下ΦPSⅡ和光合速率通常呈負相關，即光合速率升高ΦPSⅡ降低(徐彬彬等，2000)。沙柳為保護自身不被強光破壞，耗散了更多的過剩光能，因此NPQ隨PAR增加。沙柳ΦPSⅡ降低，光合速率隨可利用光能總量的增加而增加，這與該地區(qū)檸條、紅砂(Reaumuriasoongorica)相關研究(齊書香等，2009;種培芳等，2010)結論相似。

極端溫度通過影響捕光蛋白復合體和酶活性改變植物光合特性，還可對生理生化過程產生不利影響，以多種方式減少植物生長生存(Savitchetal.,2009;Faiketal.,2016)。沙柳ΦPSⅡ下降時刻早于PAR開始增加的時刻，這可能是因清晨PAR很弱且全天Ta在此時達到最低，低溫抑制了光系統Ⅱ光反應酶的活性，影響光合過程中的電子傳遞(Bukhovetal.,2004)。有研究指出，在相同環(huán)境條件下，不同物種對極端溫度的響應存在顯著差異(張明艷，2016)。本研究沙柳與先前在同一研究地的常用固沙物種油蒿對溫度響應的結論有明顯差異，相對于油蒿，沙柳ΦPSⅡ變化幅度大且NPQ高，表明沙柳對極端溫度有較差的適應性和耐受性。

RH增加減弱了植物氣孔的午休現象，增強了植物的光合速率(崔驍勇等，2000)。日尺度RH和VPD波動均滯后于熒光參數的變化且相關性較差，說明沙柳光系統Ⅱ對空氣干燥程度不敏感或其對葉綠素熒光參數的影響貢獻不大。

4.2 環(huán)境脅迫對沙柳光系統Ⅱ能量分配及光合生理狀態(tài)的長期影響

光系統Ⅱ在不同時間尺度上對環(huán)境的響應具有明顯差異性，秒、分尺度短期響應如光系統Ⅱ蛋白質質子化作用和葉黃素循環(huán)中脫環(huán)氧化等(Hortonetal.,2004)。長期響應發(fā)生在幾天幾周甚至月尺度，通過調整葉綠素和類胡蘿卜素濃度、葉綠素a/b比值或光系統Ⅱ特定蛋白質數量等方式實現。長期響應還可體現在光系統Ⅱ能量分配的平衡調節(jié)和熱耗散的變化上，并且在暗適應后不易快速逆轉(Mülleretal.,2001)。Fv/Fm是表征植物是否受到環(huán)境脅迫的重要指標，且不受物種和生長條件限制，在非脅迫狀態(tài)下Fv/Fm約為0.75～0.85(Kalajietal.,2016)。通過光能分配計算可將熱耗散劃分為ΦNPQ和ΦNO，進一步提供定量信息(Krameretal.,2004)。ΦNPQ是指示植物光保護機制狀態(tài)的關鍵指標，ΦNO表征植物的光損傷程度(Loscialeetal.,2010)。

沙柳具有披針形葉片和發(fā)達的根系，在形態(tài)學上為其耐受強光和干旱的能力提供了可能(吳雅娟等，2015;朱媛君等，2016;Britoetal.,2017;Fanetal.,2017)。沙柳光系統Ⅱ能量分配和Fv/Fm表現出明顯的季節(jié)變化，這與其物候期基本相符。6月ΦNO較高，沙柳處于展葉期末期且葉綠素活性較弱，葉片抵抗力差，易受極端溫度和高輻射等脅迫影響，此時沙柳光系統Ⅱ受損(周麗英等，2016)。7月和8月沙柳長勢最好，葉片各功能性狀達到最佳，因此ΦNO在日尺度較穩(wěn)定。植物在白天受到的環(huán)境干擾能在夜晚得到有效恢復，認為沙柳出現光抑制但未造成光系統Ⅱ反應中心的明顯損傷(Siametal.,2008)。8月NPQ較高，說明沙柳具有通過調節(jié)增加熱耗散適應高輻射的生理特征，沙柳對高輻射的耗散能力對其能夠在干旱半干旱區(qū)生長存活有著重要意義(Hanetal.,2018;Renetal.,2018)。9月ΦNO較高且在日尺度下波動，表明沙柳光化學能量轉換和熱耗散不足以將吸收的光能完全消耗掉，此時沙柳光系統Ⅱ可能受到了一定損傷(姜闖道等，2005;何炎紅等，2015)。沙柳10月進入葉片枯萎期，葉綠素含量和活性降低，光合磷酸化以及暗反應相關酶的活性下降(Doupisetal.,2013)。沙柳Fv/Fm下降很有可能是由光合機構的衰退伴隨低溫抑制所導致。NPQ和ΦNO較高且在日尺度下較穩(wěn)定，表明沙柳秋季衰老葉片的光保護能力下降和光損傷的產生。

干旱是影響干旱和半干旱區(qū)沙生植物光系統Ⅱ能量分配最常見的限制(Zhaetal.,2017;Wuetal.,2018)。水分虧缺引起植物調節(jié)氣孔閉合，限制了光合過程中水的裂解，增加了跨類囊體質子梯度，使葉黃素脫環(huán)氧化，最終導致光合效率降低和保護性熱耗散增加(齊長雪等，2018;Jahnsetal.,2012;Quaasetal.,2015)。在整個生長時期，沙柳Fv/Fm受SWC影響且調控較小，認為沙柳有較高的干旱耐受和適應力。沙柳作為荒漠地區(qū)常用固沙造林物種，對荒漠地區(qū)惡劣的環(huán)境條件有一定的抗逆性和適應性。

5 結論

在日與季節(jié)尺度上，沙柳光系統Ⅱ能量分配對環(huán)境因子響應均存在動態(tài)和差異。在日尺度，ΦPSⅡ、ΦNPQ主要受PAR、Ta影響，受RH和VPD的調控較小，ΦNO較為穩(wěn)定。在季節(jié)尺度，能量分配隨物候期而變，ΦPSⅡ對PARmax、RH和VPD的變化敏感，SWC的波動影響了NPQ對PAR的響應。沙柳能量分配動態(tài)在日與季節(jié)尺度的差異，很可能是由于光系統Ⅱ蛋白質質子化作用和葉黃素循環(huán)中脫環(huán)氧化等短期調控機制與光合色素濃度、比值和光系統Ⅱ特定蛋白質數量等長期調控機制之間的差異造成的。沙柳Fv/Fm受PARmax、RTa和SWC的影響，說明高輻射、極端溫度和水分虧缺是沙柳的主要環(huán)境脅迫限制因子。本研究豐富了沙生植物對環(huán)境波動響應的生理可塑性理論，可為脆弱的干旱半干旱區(qū)沙地生態(tài)系統的恢復管理和物種選擇提供理論指導。